Im Alter von acht Jahren verschreibt der Marvel's Agent Carter-Star sich dem Vegetarismus nachdem sie gesehen hat, wie der Fernsehkoch Loyd Grossman einen lebenden Hummer in kochendes Wasser geworfen hat.
Hayley Atwell ist die Tochter einer Motivationstrainerin und eines Massagetherapisten und Schamanen. Während ihre Mutter eine Britin ist, stammt ihr Vater aus Kansas City, in seinen Adern fließt auch das Blut amerikanischer Ureinwohner. Nach ihrer Schauspielausbildung ist die Darstellerin zunächst in dem TV-Spielfilm „Charles und Camilla - Liebe im Schatten der Krone“ (2005) in einer der Nebenrollen zu sehen und erscheint in der Miniserie „Die Schönheitslinie“. Nach weiteren TV-Spielfilmen wie „Mansfield Park“ ist sie in Woody Allens Drama „Cassandras Traum“ mit dabei.
Es folgen weitere Filmrollen in „How about You...“, „Wiedersehen mit Brideshead“ und „Die Herzogin“. Auf dem Fernsehbildschirm erscheint sie erneut 2009 in der Miniserie The Prisoner sowie ein Jahr später in der TV-Adaption von Ken Folletts Bestseller Die Säulen der Erde und dem vierteiligen Drama „Any Human Heart“ (2010).
Zu ihrem Resümee zählen zudem Rollen in dem Thriller „I, Anna“,in dem Actionfilm „The Crime“ (2012), in den beiden Biopics „Jimi: All Is by my Side“ (2013) und „Testament of Youth“ (2014) sowie die Neuauflage von „Cinderella“ (2015). Zudem erscheint sie 2013 in einer Episode der Serie Black Mirror und in der Miniserie „Life of Crime“.
Zudem ist Hayley Atwell als Peggy Carter in der Serie What If...? seit 2021 zu sehen.
Ihren großen Durchbruch läutet Hayley Atwell spätestens mit der Rolle der Agent Peggy Carter in „Captain America: The First Avenger“ (2011) ein, die sie 2014 erneut im Sequel „The Return of the First Avenger“ aufnimmt sowie in „The Avengers 2: Age of Ultron“. Zudem erscheint sie in dieser Rolle auch in Marvel's Agents of S.H.I.E.L.D. und bekommt mit Marvel's Agent Carter eine eigene Serie. Auch in „Ant-Man“ (2015) ist sie mit von der Partie, genauso wie in „The First Avenger: Civil War“. 2017 ist sie als Hauptfigur in der Serie Conviction zu sehen und auch in der britischen Serie Howards End.